Eles viveram rápido, morreram jovens e semearam o cosmos com material para as gerações futuras.
Por 380.000 anos após o Big Bang, o cosmos foi uma mistura densa e quente de prótons, elétrons, outras partículas elementares e elementos leves. Mas o universo em expansão estava esfriando rapidamente. E quando a temperatura caiu para cerca de 4.950 graus Fahrenheit (2.730 graus Celsius), os prótons e elétrons foram capazes de formar átomos.
Nem todos os átomos, veja bem. Nenhum ouro estava flutuando, ou alumínio, ou mesmo elementos leves como oxigênio. O hidrogênio e seu pesado isótopo deutério respondem por cerca de três quartos de tudo. Alguns isótopos de hélio responderam pela maior parte do outro quarto. E uma pequena fração (cerca de um bilionésimo de tudo) de lítio também foi produzida.
Só porque hidrogênio e hélio novos estavam girando não significa que estrelas estavam surgindo. Na verdade, o primeiro desses objetos luminosos não apareceu até que o universo tinha cerca de 100 milhões de anos. Então, por um período de tempo mais longo do que os dinossauros foram extintos na Terra, não houve estrelas ou galáxias, ou, nesse caso, quaisquer objetos emitindo luz.
É nessa escuridão que os astrônomos estão tentando juntar as peças da origem da primeira geração de estrelas, chamadas estrelas de População III. Tão forte quanto eles brilhavam, sua luz agora é muito fraca para ser detectada por observatórios atuais – e até mesmo a próxima geração de telescópios terá dificuldade para localizá-los. Mas, por meio do trabalho de detetive científico, os astrônomos estão começando a entender como esses objetos evasivos viveram e morreram.
SHANTANU BASU, UNIVERSIDADE DE OESTE ONTÁRIO
O universo se ilumina
Uma pista importante é cortesia da radiação cósmica de fundo (CMB), a radiação relíquia que se formou no quente universo inicial. Esta radiação tem esfriado desde que foi emitida conforme o cosmos se expande – atualmente, a temperatura de fundo é de cerca de 2,73 kelvins (-455 F, -270 C). E as medições do CMB mostram que ele é incrivelmente consistente, correspondendo a variações de densidade de apenas 1 parte em 100.000. Mas essas variações, ondulações literais na estrutura do universo, estão revelando como as primeiras estrelas se formaram.
Modelos de computador mostram que as minúsculas flutuações de densidade no início do universo atuaram como pontos de partida para imensas nuvens de gás. Sem essas variações na estrutura, nada teria se formado. Todo o cosmos teria evoluído para uma nuvem homogênea cada vez mais fina de hidrogênio, hélio e aquela minúscula porção de lítio. Graças à gravidade, no entanto, as flutuações tornaram-se pontos de encontro: enormes nuvens onde o gás continuou a se acumular. Eventualmente, as nuvens se contraíram. Ao fazer isso, eles aqueceram a mais de 1.300 F (700 C).
Essa temperatura seria muito alta para uma região de formação de estrelas hoje formar estrelas. Na verdade, se uma nuvem for mais quente do que cerca de 10 kelvins (-442 F, -263 C), a velocidade dos átomos dentro dela será muito rápida para que eles se unam e eventualmente formem estrelas.
Mas as nuvens no início do universo eram maiores e muito mais densamente compactadas do que as nebulosas dos dias modernos. Dentro deles, alguns átomos de hidrogênio formaram pares para se tornarem moléculas de hidrogênio. E como as moléculas são melhores emissoras de radiação infravermelha (calor), a temperatura caiu e os aglomerados dentro das nuvens podem se contrair ainda mais.
Cada uma das regiões era provavelmente várias centenas de vezes mais massiva que o sol. Essa quantidade de massa, e sua gravidade correspondente, poderiam superar a pressão externa da radiação. Os aglomerados não se dividiram à medida que se contraíram, então apenas uma única estrela se formou a partir de cada um. O resultado foi que as primeiras estrelas eram potencialmente colossais – as estimativas variam de várias dezenas de massas solares até 1.000 massas solares – e luminosas, talvez milhões de vezes mais brilhantes que o sol.
Como o universo era menor e mais denso, um grande número dessas estrelas se formou perto de cada uma de suas variações de densidade. Eventualmente, a atração gravitacional dessas estrelas atrairia outras estrelas, e o número cresceu a partir daí. Os astrônomos acham que isso levou algumas centenas de milhões de anos, mas, no final desse tempo, as primeiras galáxias se formaram.
A vida de uma primeira estrela
Você pode estar se perguntando como alguém poderia descobrir como as estrelas se formaram durante uma época em que o universo era inobservável. Felizmente, o cosmos não era tão complexo como é agora, tornando-o mais simples para os cosmologistas modelarem.
Por exemplo, eles não precisam levar em conta as ondas de choque de supernovas que comprimem o material dentro de nebulosas distantes. Todo o material disponível era um dos três elementos mais leves. Ainda não havia nem poeira para afetar o resfriamento das nuvens.
Os astrônomos teorizam que, além de serem massivas, as primeiras estrelas também eram extremamente quentes. Suas temperaturas de superfície podem ter sido de 15 a 20 vezes a do Sol, e a maior parte da radiação que eles emitiram estava na região ultravioleta do espectro.
E embora as supernovas não tenham desempenhado um papel no nascimento das primeiras estrelas, esses eventos fizeram parte de todas as suas mortes. Quanto mais massiva uma estrela, mais rápido ela passa por sua vida, então as primeiras estrelas podem ter vivido apenas alguns milhões de anos ou menos.
A teoria prevê que, quando uma estrela com massa entre 140 e 260 vezes a do Sol chega ao fim de sua vida, ela produz uma supernova de instabilidade de par. No núcleo de tal objeto, pares elétron-pósitron perturbam o equilíbrio entre a pressão de radiação para fora e a atração da gravidade para dentro.
Quando a gravidade começa a vencer este cabo-de-guerra, o núcleo entra em colapso. Isso, por sua vez, eleva sua temperatura e provoca um enorme aumento na fusão – tanto, na verdade, que a estrela explode completamente, sem deixar para trás qualquer vestígio estelar (como um buraco negro). Desta forma, todos os elementos que a estrela sintetizou, até e incluindo o ferro, são lançados no espaço. Isso semeia o gás circundante com material, criando a mistura que formaria as futuras gerações de estrelas. Então, em certo sentido, as mortes dessas estrelas são tão importantes para o desenvolvimento do universo quanto seus nascimentos.
A matéria escura está envolvida?
De acordo com os teóricos, nossa parte do universo – o que podemos ver e tocar – responde por apenas 5% do total. O resto é energia escura (cerca de 69%) ou matéria escura (26%). A energia escura faz seu próprio trabalho, o que parece estar acelerando a expansão do universo.
A matéria escura também não interage com a matéria normal – exceto por meio da gravidade. Portanto, embora seja impossível ver diretamente, os astrônomos podem detectá-lo indiretamente.
Alguns cientistas agora pensam que o puxão gravitacional da matéria escura foi crucial para reunir o material normal em aglomerados e manchas (as flutuações de densidade na CMB) nos anos seguintes ao Big Bang. Esses objetos, chamados de minihalos de matéria escura, deveriam ser massivos – da ordem de um milhão de sóis ou mais.
A matéria normal precisaria da gravidade de tanta massa para superar a velocidade dos átomos conforme a nuvem que forma as estrelas se contrai e se aquece. Se o minihalo fosse muito pequeno, os átomos não se fundiriam para, eventualmente, formar estrelas.
A próxima melhor coisa
Nenhum telescópio – na Terra ou no espaço – é atualmente poderoso o suficiente para detectar a luz de uma estrela de População III. Mas alguns cientistas acham que as evidências de como eram as primeiras estrelas estão muito mais próximas. Eles estão procurando a segunda geração de estrelas, concentrando sua busca no halo da Via Láctea, uma região esférica de estrelas velhas e aglomerados globulares – estrelas de População II – centrados no núcleo de nossa galáxia.
Ao contrário do disco da Via Láctea, que tem gás e poeira abundantes e está cheio de estrelas jovens – chamadas de estrelas de População I – nenhuma nova estrela está se formando no halo. Em comparação com o Sol, as estrelas Pop II no halo contêm uma fração menor de metais – um termo que na astronomia se refere a qualquer elemento mais pesado que o hélio. E algumas estrelas hiper-pobres em metais (HMP) podem fornecer pistas para desvendar como as primeiras estrelas viveram e morreram, porque suas atmosferas não mudaram muito desde que se formaram.
As duas primeiras estrelas HMP descobertas foram HE 0107-5240 na constelação de Phoenix em 2002 e HE 1327-2326 em Hydra em 2005. Cada uma tem apenas 0,001 por cento ou menos da abundância total de ferro do Sol.
Em 2019, Rana Ezzeddine, então no MIT (agora na Universidade da Flórida), e sua equipe encontraram evidências observacionais de que HE 1327-2326 provavelmente se formou em uma região do universo primordial que havia sido aprimorada pela explosão de uma supernova de uma primeira estrela com uma massa 25 vezes a do Sol.
A menor abundância de ferro conhecida pertence à estrela SMSS J031300.36-670839.3 na pequena constelação de Hydrus. Descoberta em 2014, esta estrela fica a 6.000 anos-luz de distância. Com 13,6 bilhões de anos, é a estrela mais velha cuja idade foi determinada com precisão e provavelmente uma das primeiras estrelas de segunda geração a se formar.
Para a caça
Por enquanto, a melhor esperança dos astrônomos de detectar diretamente uma estrela Pop III pode estar no Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA, que está programado para ser lançado em outubro de 2021. Embora seu espelho de 6,5 metros não seja capaz de revelar um dos primeiros estrelas por conta própria, poderia dar sorte. Talvez ele pudesse capturar um flash ultra-fraco que sinalizasse uma das primeiras estrelas se tornando uma supernova.
Ou, se um grande aglomerado de galáxias ficar entre uma estrela Pop III e o JWST, ele pode atuar como uma lente gravitacional, curvando e ampliando a luz da estrela. Um estudo de 2018 liderado por pesquisadores da Arizona State University e da University of Melbourne descobriu que o JWST pode ser capaz de encontrar algumas dessas primeiras estrelas se monitorar 30 aglomerados de galáxias duas vezes por ano ao longo de sua vida útil estimada de cinco a 10 anos.
Claro, os pesquisadores podem sonhar em construir um telescópio gigante tão poderoso que poderia capturar a luz das estrelas Pop III sem ajuda.
Quão fantasiosa é essa perspectiva? Anna Schauer e seus colegas da Universidade do Texas calculam que um telescópio com um espelho de 100 metros de largura seria suficiente – se fosse colocado na Lua, é claro. O observatório proposto, apelidado de Ultimately Large Telescope e publicado em uma pré-impressão online em julho passado, ficaria na sombra eterna de uma cratera lunar no Pólo Sul da Lua, isolado do calor que poderia interferir em suas observações infravermelhas.
Isso pode acontecer em breve? Sim – pelo menos astronomicamente falando.
Publicado em 23/01/2021 09h08
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